直流无刷控制器原理（直流无刷控制器是什么意思）

无刷直流(BLDC) 电机已成为各种电池供电和线路供电设备和电器的默认电机选择。无刷直流电机比有刷直流电机更可靠，需要的维护更少，并且应用行业广泛了解如何使用简单的微控制器算法来控制它们。在当今复杂且先进的控制应用中，有刷电机也会产生过多的电噪声，这意味着设计人员需要使用大量的抗电磁干扰技术。当今的有刷电机产生的可听噪音也是一个缺点，特别是在便携式电池供电的设备中，例如真空吸尘器和个人电动工具，包括卷轴锯和钻头/电动螺丝刀等。

制造商使用转子驱动轴上的固定永磁体和电机外壳内的一系列励磁绕组（通常为三个）来制造无刷直流电机。电流依次通过三个励磁绕组，导致驱动轴旋转。控制每个励磁线圈驱动器的脉冲宽度和开关频率可以控制电机速度、加速度和输出扭矩。转子的运行状态需要闭环反馈给三相电机控制算法，以密切监视和控制驱动轴旋转的当前状态。提供此反馈的两种最常见的方式是：

将编码器盘或其他形式的旋转传感器连接到转子轴上。

在励磁绕组中感应由转子永磁体引起的反向电磁场。磁场定向控制（FOC）是指使用感应磁场电压。

无传感器方法有助于提高电机的整体可靠性并降低物料清单(BOM) 成本。

BLDC 电机控制器架构

如上一节所述，无刷电机控制器需要三种不同的电路功能。这三种不同的电路功能是通过以下组件实现的：

微控制器运行电机控制算法

提供开关信号的脉宽调制(PWM) 电路

驱动电机功率输出级

模数功能将轴旋转传感器信号转换为数字域，以供微控制器处理。设计嵌入式电机控制器时有几个设计注意事项。影响嵌入式电机控制器整体设计的初始因素：

所需功率/扭矩

电源

轴转速

当今的重点是从原型转向生产，这使得设计工程师能够开发定制控制器，而无需求助于分立组件。因此，更常见的设计方法是使用现成的微控制器来运行控制算法。除了不同的外设接口选项、时钟和定时器之外，大多数微控制器还包括各种ADC/DAC 转换功能。正确配备的微控制器可以提供大部分所需的电路功能，但许多微控制器往往没有针对电机控制应用进行优化，也没有包含必要的半/全“H”桥电机驱动功能。此外，能源管理是当今大多数应用中的必备功能，在电机控制应用中尤为重要，因为能效等级通常是客户的关键选择标准。还有电源管理IC，但这需要工程团队将额外的IC 集成到设计中，从而增加BOM 成本和电路板空间要求。

随着越来越多的消费类和工业用电机设备采用无刷直流电机设计，需要一种包含所有必要功能的设备，Qorvo 开发了全功能电源应用控制器(PACTM)。 Qorvo 的PAC5556 电源应用控制器 (PACTM) 将所有必要的模拟、电源管理和栅极驱动信号源集成在一个紧凑的封装中。

Qorvo PAC5556 简介

Qorvo PAC5556 电源应用控制器 (PACTM) 采用薄型QFN-52 封装，支持高达600VDC 的电机运行，并集成了任何BLDC 或智能能源应用所需的各种功能和特性（图1）。高度集成的PAC 架构使Qorvo PAC5556 非常适合PCB 尺寸不断缩小的应用，例如白色家电、压缩机和电动工具。

图1：所示为Qorvo PAC5556 电源应用控制器的简化功能框图。 （数据来源：Qorvo）

该器件的核心是一个150MHz 32 位Arm Cortex-M4F 微控制器内核，具有128kB 用户可编程闪存。嵌套向量中断控制器(NVIC) 能够容纳多达25 个外部中断，并提供唤醒功能，使器件能够从不同的睡眠模式恢复运行。 24 位实时时钟的时钟门控允许低功耗运行。微控制器单元(MCU) 还集成了高速12 位ADC。 PAC5556 的Arm Cortex-M4F 微控制器内核配置为小尾数运算，包括对乘法和除法、DSP 指令和IEEE754 单精度浮点单元(FPU) 的硬件支持。集成FPU 支持复杂的高分辨率控制算法，例如用于FOC 的算法。 MCU 的高性能功能使设计工程师能够在其应用中轻松实现复杂的实时算法、安全软件和诊断。

脉冲宽度调制(PWM) 引擎向电机栅极驱动器提供驱动信号。 PWM 引擎包括四个16 位定时器和14 个通道，可实现低至10ns 的精确电机控制。

PAC5556 的模拟前端具有高度可配置性，提供差分和单端可编程增益放大器、10 个比较器、10 位DAC、可编程过流保护、集成VM ADC 采样，以及用于可互连和可编程信号采样、反馈放大和I/O用于多个模拟输入信号的传感器监控。这些模拟功能使该器件适用于磁场定向控制或基于传感器的BLDC 控制应用。

Qorvo PAC5556 还包括可配置电源管理器和特定于应用的电源驱动器。可配置电源管理器包含一个多模式开关电源转换器，允许使用降压转换器拓扑为IC 和电机驱动器电路供电。片上线性稳压器提供IC 电源轨，电源管理功能控制可用的睡眠和休眠模式。设计人员可以优化电源管理器的运行时间和待机模式。 PAC 的待机电流非常低，因此电池供电的工具在不使用时具有较长的电池寿命。在始终连接到交流电源的设备（例如白色家电）中，电源管理器可以帮助满足能源之星评级要求。功率驱动器模块为各种不同的电机驱动配置（包括半桥和全“H”桥）提供所有必需的高侧和低侧栅极驱动器。

图2 显示了用于驱动BLDC 电机的Qorvo PAC5556 的简化电路图。

图2：用于控制BLDC 电机的Qorvo PAC5556 的简化电路图。 （数据来源：Qorvo）

为了协助原型设计和开发工作，提供了基于Qorvo PAC5556 的评估板。 Qorvo PAC5556EVK1 是一个完整、功能齐全的PAC5556 评估和原型设计平台（图3）。该评估板支持最多三个额定电压高达220VAC 或450VDC 的半H 桥逆变器的栅极驱动。 PAC5556EVK1 上运行的所有应用程序都可以通过连接到计算机的虚拟COM 端口和基于GUI 的软件套件进行配置和控制。

图3：Qorvo PAC5556EVK1 评估板。 （数据来源：Qorvo）

综上所述

无刷直流电机是许多消费和工业设备的常见选择。随着无刷电机的应用越来越广泛，快速设计、原型设计和测试电机控制器的能力成为加快整个产品设计流程的关键。因此，设计工程师需要一种将所有必要的模拟、电源管理和栅极驱动信号源集成在单个封装中的器件。高度集成的Qorvo PAC5556 电源应用控制器满足紧凑型电源控制解决方案的需求，可降低消费和工业电机应用中的能耗、尺寸和噪音。该设计还满足更严格的电路板空间要求，并将BOM 成本降至最低。

审稿编辑：郭婷